奇妙的中微子：物理學家不斷追尋的幽靈粒子

物理學家費米首先提出了「neutrino」（中微子）這一術語，其字面意義是「微小的電中性粒子」

　　新浪科技訊 北京時間1月15日消息，據國外媒體報道，每一天的每一秒，你都會受到來自宇宙深處的數萬億個亞原子粒子的攻擊。它們以宇宙颶風之勢穿過你的身體，轟擊速度近乎光速。它們來自整個天空，輕而易舉地穿過地球大氣層，而且無論白天或黑夜，無時無刻。

　　然而，我們對這一切毫無察覺，似乎也毫髮無傷。到底發生了什麼？

　　微小的電中性粒子

　　這些微小的粒子被稱為中微子（neutrino）。1934年，傑出的美籍義大利裔物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）提出了這一術語。在義大利語中，「neutrino」的字面意義是「微小的電中性粒子」。中微子概念的提出，其實是物理學家用來解釋一個奇特核反應的嘗試。

　　有些元素有時會有些不穩定，如果它們長時間單獨存在，就會分崩離析，轉變為別的元素，確切地說，是元素周期表上比之略輕的元素。此外，轉變過程中會產生一個電子。在20世紀20年代，物理學家通過對這些衰變過程的細緻觀察和分析後發現，存在一些微小的能量不守恆現象。換句話說，該過程開始時的能量要比最終呈現的能量略大一些。這在數學上說不通，太奇怪了！

　　於是，少數物理學家假設了一種全新粒子的存在。這些粒子攜帶著缺失的能量，它們很微小，很輕，而且沒有電荷。它們可以悄無聲息地躲過探測器的觀測。

　　證實中微子的存在花費了數十年時間，足見這些微小粒子的神秘。1956年，中微子被歸入了一類已知並結果測量和確認的粒子，事情又變得更加奇妙了。

　　最合適的「味」

　　這個難題是隨著μ子（渺子，muon）的發現而出現的。有趣的是，μ子也是在中微子概念提出的時候（20世紀30年代）被發現的。μ子的性質幾乎就和電子一樣，具有同樣的電荷和自旋。它的特別之處在於，它的質量大約是電子的200倍，因此可以想像成一個「加重版」的電子。

　　μ子會參與特定類型的反應，但通常不會持續很久。由於「塊頭」較大，因此μ子非常不穩定，會迅速（1到2微秒）衰變成更小的粒子。物理學家已經對這一過程了解很多，但這和中微子的故事有什麼關係呢？

　　物理學家注意到，表明中微子存在的衰變反應總是會產生一個電子，而不是一個μ子。在其他反應中，μ子會出現，而不是電子。為了解釋這些發現，物理學家推測某些中微子（不是其他類型的中微子）總是在一些衰變反應中和電子成對出現，而μ子必須與某種尚未發現的中微子成對出現。畢竟，對電子「友好」的中微子無法解釋μ子事件的觀察結果。

　　搜尋工作繼續進行，直到現在。到了1962年，物理學家終於鎖定了第二種中微子。最初它被稱為「中介子」（neutretto），但物理學家最終還是選擇了更加理性的叫法——μ中微子（muon-neutrino），因為它在反應中總是與μ子成對出現。

　　τ子的出現

　　好了，已經證實有兩種中微子存在，大自然是否還有更多的驚喜呢？1975年，斯坦福線性加速器中心（2008年更名為SLAC國家加速器實驗室）的研究人員對海量的數據進行了篩選，揭示了一種質量比電子和μ子更大的基本粒子的存在：τ子（tauon）。這種粒子的質量是電子的3500倍，是個相當可觀的粒子！

　　於是問題來了：對於這3種粒子，電子、μ子和τ子，在電中微子和μ中微子之外，是否還存在與τ子對應的中微子？可能存在，也可能不存在。可能只存在兩種中微子，也可能有4種中微子。或許甚至有17種……大自然從來不會完全符合我們的期望，所以沒有理由現在就下結論。

　　幾十年來，物理學家一直在用大量實驗和觀測結果來說服自己：第3種中微子應當存在。但是，直到接近千禧年時，一項在費米實驗室進行的專門實驗才最終取得了成功。2000年7月，DONUT（英語「Direct Observation of the NU Tau」的縮寫，）實驗協作項目宣布了τ中微子的發現。

　　追逐幽靈

　　那麼，為什麼我們如此關心中微子？從第二次世界大戰到現在，我們已經追逐它們超過70年？為什麼一代代科學家對這些微小的電中性粒子如此著迷？

　　原因在於，中微子不斷超出我們的預期。很長一段時間裡，我們甚至不確定它們是否存在；很長一段時間裡，我們曾確信它們完全沒有質量，直到實驗結果告訴我們，這些微小的粒子必須具有質量。它們的質量究竟是多少，仍然是物理學家在探索的問題。而且，中微子有一種十分惱人的「習慣」——在傳播過程中會發生「味」（flavour）的振蕩，但在產生和被探測時具有明確的味。在粒子物理學中，「味」是基本粒子的一種量子數。

　　物理學家還推測可能存在另外一種不會參見任何常規相互作用，但可以通過中微子振蕩產生的中微子，即惰性中微子。物理學家正在努力尋找這種神秘粒子的蹤影。一些最新研究和實驗的異常數據表明，包括惰性中微子在內的新型中微子仍有可能存在。

　　可以說，中微子不斷挑戰著我們所知的物理學。無論是過去還是將來，它們都將是物理學家最希望解決的挑戰之一。（任天）

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